CN109488272A - 干热岩垂直井切割压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种干热岩垂直井切割压裂方法，包括：通过连续油管将水力切割器下入到垂直井内的指定位置；通过泵向水力切割器内泵注带有磨料的液体，水力切割器在沿垂直井的轴线向下移动的同时，喷射出液体对干热岩进行切割形成缝槽；在完成缝槽的切割后停止泵注液体，并向垂直井内通入惰性气体，惰性气体沿连续油管与井筒之间的环形空间替换出垂直井内残留的液体；通过泵向水力切割器内泵注液氮，液氮经水力切割器射入缝槽中，使缝槽内的岩层破裂产生若干裂缝；停止向水力切割器内泵注液氮，从垂直井内取出水力切割器，并向缝槽内泵入压裂液，使缝槽内的岩层裂缝继续扩张，勾通形成裂缝网络。利用本发明可以形成有效连通的大体积裂缝网络。
Description
技术领域
本发明涉及地热能源开采技术领域，更为具体地，涉及一种干热岩垂直井切割压裂方法。
背景技术
随着化石能源局势和环境状况的恶化，大力发展替代性可再生能源已成为关系人类福祉的普遍共识。中国在水力、太阳能和风能等资源利用中取得了显著的进展和成果，但由于可再生资源的开发利用手段受限，难以保证多样化的能源需求，在所有可再生能源中唯有地热能源可作为基础载荷，保持电网安全稳定运行。地热资源分为水热型地热和干热岩型地热，其中干热岩型资源开发潜力巨大，所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍，而我国干热岩资源储量丰富，只要能开发其中2％就相当于我国一年能源消耗总量的千倍以上。
干热岩是指埋深数千米、内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体，岩体温度一般在150～650℃，是一种储量巨大、清洁、可再生的地热资源。目前世界上普遍通过增强型地热***开采干热岩资源，即采用钻井的方法钻一口井作为注水井，钻一口或多口井作为生产井，利用人工压裂在注水井和生产井之间形成人工裂缝与天然裂缝交织的可流动通道。从注水井注入冷水，在地下流动通道中完成热能交换，然后生产井获得蒸汽、高温水和热水用于地面发电和供暖等，在地面完成能量交换，再将冷却后的水注入地下进行循环。因此，干热岩开发的关键是利用合理压裂技术在生产井和注入井之间形成大体积相互连通的裂缝网络，从而实现高效、低成本的热能开采。
目前，干热岩的压裂方式主要包括：1)水力压裂，地下压力达到一定程度后产生剪切缝或张性裂缝，即常规的水力压裂致裂；2)热激发，即温差导致岩体爆裂，形成裂缝；3)化学激发。由于干热岩具有温度高，且岩石属性为花岗岩，硬度很高。因此，采用传统的射孔弹进行井筒与岩层间连接，难以形成具有一定长度的孔道，造成压裂施工过程中孔道起裂裂缝难度大。对于厚度高的干热岩层，采用常规的水力压裂方式，在难以形成具有一定高度和长度的裂缝。
因此，急需一种新型压裂方法实现干热岩的商业开采。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种干热岩垂直井切割压裂方法，以解决传统的三种压裂方式的难以形成有效连通的大体积裂缝网络的问题。
本发明提供的干热岩垂直井切割压裂方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：将连续油管的一端与地面的泵连接，另一端与水力切割器的弹簧返回型液压阻尼器连接；
步骤S2：通过连续油管将水力切割器下入到垂直井内的指定位置；
步骤S3：通过泵以预设排量向水力切割器内泵注带有磨料的液体，水力切割器在以恒定速度沿垂直井的轴线向下移动的同时，喷射出液体对干热岩进行切割，在干热岩上形成缝槽；
步骤S4：在完成缝槽的切割后停止泵注液体，并向垂直井内通入惰性气体，惰性气体沿连续油管与井筒之间的环形空间替换出垂直井内残留的液体；
步骤S5：通过泵向水力切割器内泵注液氮，液氮经水力切割器射入缝槽中，使缝槽内的岩层破裂产生若干裂缝；
步骤S6：停止向水力切割器内泵注液氮，从垂直井内取出水力切割器，并向缝槽内泵入压裂液，使缝槽内的岩层裂缝继续扩张，勾通形成裂缝网络。
此外，优选地方案是，在向缝槽内泵入压裂液的过程中，向缝槽内泵入带有支撑剂的压裂液。
另外，优选地方案是，惰性气体为氮气或二氧化碳。
再者，优选地方案是，沿缝槽内的岩层裂缝扩张方向布置有两口生产井，通过上述步骤S1-步骤S6对两口生产井进行切割压裂。
与现有技术相比，本发明提供的干热岩垂直井切割压裂方法能够取得以下技术效果：
1、裂缝起裂压力低：射流切割和液氮损伤致裂效果叠加会产生多个长而深的缝槽，其周围存在大量破裂裂缝，可以有效地释放和降低近井筒区域岩石应力；
2、井筒连通性高：多个缝槽同平面布置，易于在近井筒附近形成单一主裂缝，压裂过程近井筒裂缝弯曲摩阻小；
3、压裂泵注排量大：套管缝及地层多个缝槽过流面积大，流动阻力整体减小，有利于提高压裂施工泵入排量；
4、裂缝导流能力高：井筒与裂缝间过流面积大幅增加，施工排量和砂浓度提升空间大增，利用产生高导流能力裂缝网络；
5、裂缝尺寸大：由于施工排量得到提高，并且液氮压裂与水力压裂液相结合，利于干热岩的损伤，形成裂缝网络。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的干热岩垂直井切割压裂方法的流程示意图；
图2为根据本发明实施例的水力切割器的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的水力切割器下入干热岩垂直井指定位置的示意图；
图4为根据本发明实施例的水力切割器切割干热岩岩层的示意图；
图5为根据本发明实施例的液氮射入缝槽后产生裂缝的示意图；
图6为根据本发明实施例的垂直井注入压裂液后产生大尺寸裂缝的示意图；
图7为根据注入井C和生产井A、B经过本方法切割压裂后形成连通裂缝网络的示意图。
其中的附图标记包括：1-连续油管、2-水力切割器、21-喷砂射孔枪、221-喷砂嘴、22-弹簧返回型液压阻尼器、23-扶正器、套管3、水泥环4。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
图1示出了根据本发明实施例的干热岩垂直井切割压裂方法的流程。
如图1所示，本发明实施例提供的干热岩垂直井切割压裂方法，包括如下步骤：
步骤S1：将连续油管的一端与地面的泵连接，另一端与水力切割器的弹簧返回型液压阻尼器连接。
水力切割器的结构如图2所示，其包括：喷砂射孔枪21和弹簧返回型液压阻尼器22，弹簧返回型液压阻尼器22的一端与连续油管连接，连接弹簧返回型液压阻尼器22的另一端与喷砂射孔枪21连接，在喷砂射孔枪21上开设有至少一个喷砂嘴211，从喷砂嘴211喷射出的带有磨料的液体切割干热岩。
弹簧返回型液压阻尼器22包括活塞杆、中心管和弹簧等部件，中心管作为液体的过流通道，与喷砂射孔枪21连通，活塞杆与磨料射流切割工具连接，用于带动水力切割器移动，弹簧用于实现水力切割器的复位。
为了使磨料射流切割工具居中保持在套管内，在喷砂射孔枪21的一端及弹簧返回型液压阻尼器22的一端分别套设有扶正器23。
步骤S2：通过连续油管将水力切割器下入到垂直井内的指定位置。
步骤S3：通过泵以预设排量向水力切割器内泵注带有磨料的液体，水力切割器在以恒定速度沿垂直井的轴线向下移动的同时，喷射出液体对干热岩进行切割，在干热岩上形成缝槽。
采用边移动边切割的方式在干热岩上形成长条形的缝槽。
步骤S4：在完成缝槽的切割后停止泵注液体，并向垂直井内通入惰性气体，惰性气体沿连续油管与井筒之间的环形空间替换出垂直井内残留的液体。
惰性气体为氮气或二氧化碳，通入惰性气体的目的是替换出残留在垂直井内带有磨料的液体，防止液体与天然气发生化学反应。
由于后续需要向垂直井内泵注液氮，液氮会使液体冻结成冰，因此，需要将垂直井内的液体排除掉。
步骤S5：通过泵向水力切割器内泵注液氮，液氮经水力切割器射入缝槽中，使缝槽内的岩层破裂、产生若干裂缝。
由于液氮的温度低，与干热岩接触会使干热岩产生极大的热应力和脆性，使得缝槽内的花岗岩急速收缩变形，损伤发生破裂，然后继续泵入高压液氮，产生较大尺寸的裂缝。
步骤S6：停止向水力切割器内泵注液氮，从垂直井内取出水力切割器，并向缝槽内泵入压裂液，使缝槽内的岩层裂缝继续扩张，勾通形成裂缝网络。
在向缝槽内泵入压裂液的过程中，向缝槽内泵入带有支撑剂的压裂液，支撑剂用于增加裂缝体积，并支撑裂缝，形成大体积且具有有效导流能力的裂缝网络。
沿缝槽内的岩层裂缝扩张方向布置有两口生产井，通过上述步骤S1-步骤S6对两口生产井进行切割压裂，使两口生产井产生的裂缝与生产井产生的裂缝连通。
以一个实例进行说明，如图3-图7所示，干热岩岩层顶部深度为3500m，岩层厚度为200m，岩层中部位置的温度为200℃。采用一口注入井、两口生产井的方式进行地热开采，注入井和生产井的目的生产层段采用Ф139.7mm的套管3固井完井，水泥环4裹住套管3箍成环形。采用本发明进行干热岩岩层的开发方法如下：
1、采用Ф50.8mm的连续油管1作为施工管柱，其一端与地面的泵连接，另一端与水力切割器2的弹簧返回型液压阻尼器连接，通过施工管柱1将水力切割器2下入到垂直井中的3600m处，如图2所示。
2、地面的泵以1.5m3/min排量向连续油管内泵注带有磨料的液体，液体由水力切割器的喷砂嘴射出切割干热岩，在水力切割器2喷射干热岩的同时，水力切割器2以恒定速度(10mm/min)沿井筒的轴线向下移动，切割时间20分钟，可以在套管3上形成长约20cm的缝槽，切割完液体经过连续油管1和套管3之间的环形空间返出地面，如图4所示。
3、停止泵注磨料液体，向连续油管1内泵注氮气，氮气通过连续油管1与井筒之间的环形空间排出井内残留的液体。
4、地面的泵以1.5m3/min排量向连续油管1内泵注液氮，低温液氮经水力切割器2上的喷嘴射入对应的缝槽中，喷射时间30分钟，然后地面关闭回流通道，以3m3/min排量高压泵入300m3液氮，形成较大尺寸裂缝，如图5所示。
5、通过连续油管1将水力切割器2提出井筒，然后以4～6m3/min排量向井内泵入带有支撑剂的压裂液，促使岩层破裂，压裂液经3个缝槽进入宏观裂缝，泵注压裂液体约400m3，形成长约200m的裂缝，如图6所示。
6、采用上述方法，依次在相邻两口生产井A和生产井B中实施压裂，产生的裂缝与井A中裂缝相连通，如图7所示。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种干热岩垂直井切割压裂方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：将连续油管的一端与地面的泵连接，另一端与水力切割器的弹簧返回型液压阻尼器连接；
步骤S2：所述通过所述连续油管将所述水力切割器下入到所述垂直井内的指定位置；
步骤S3：通过所述泵以预设排量向所述水力切割器内泵注带有磨料的液体，所述水力切割器在以恒定速度沿所述垂直井的轴线向下移动的同时，喷射出液体对干热岩进行切割，在所述干热岩上形成缝槽；
步骤S4：在完成所述缝槽的切割后停止泵注液体，并向所述垂直井内通入惰性气体，所述惰性气体沿连续油管与井筒之间的环形空间替换出所述垂直井内残留的液体；
步骤S5：通过所述泵向所述水力切割器内泵注液氮，所述液氮经所述水力切割器射入所述缝槽中，使所述缝槽内的岩层破裂产生若干裂缝；
步骤S6：停止向所述水力切割器内泵注液氮，从所述垂直井内取出所述水力切割器，并向所述缝槽内泵入压裂液，使所述缝槽内的岩层裂缝继续扩张，勾通形成裂缝网络。
2.如权利要求1所述的干热岩垂直井切割压裂方法，其中，在向所述缝槽内泵入压裂液的过程中，向所述缝槽内泵入带有支撑剂的压裂液。
3.如权利要求1所述的干热岩垂直井切割压裂方法，其中，所述惰性气体为氮气或二氧化碳。
4.如权利要求1所述的干热岩垂直井切割压裂方法，其中，沿所述缝槽内的岩层裂缝扩张方向布置有两口生产井，通过步骤S1-步骤S6对两口生产井进行切割压裂。
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